大汉阳地区现代有轨电车试验线车辆特点研究

王成龙， 董 皓， 李 文

(1.武汉车都轨道交通有限公司， 武汉 430056；

武汉市大汉阳地区现代有轨电车试验线工程线路全长约16.8 km，全线共设车站22座，均为地面站. 线路西起黄陵官莲湖东侧，终点位于沌阳大道车轮广场，与地铁3号线换乘. 全线设官莲湖车辆段与综合基地(以下简称官莲湖车辆基地)一处，位于凤凰大道—幸福三路西南角地块，接轨于幸福三路站. 车辆段占地约16.9 hm2. 车辆基地承担全线车辆停放、运用和各修程检修作业.

本工程初期配属21列车辆，车辆采用100%低地板钢轮钢轨现代有轨电车，正线和车辆基地采用储能式供电方式. 该工程初、近期采用4模块组运行，近远期高峰时段采用4模块两列联挂编组模式，以解决高峰时段大客流问题，且该方案编组灵活，维护方便[1].

1 车辆概况

车辆采用超级电容储能供电模式，无接触网，车站充电与储能电源供电运行. 储能电源采用功率型超级电容单元，大电流充放电可保障实现高效、循环使用电能，达到洁净节能、低碳环保的效果[2]. 每个站台均设置成套直流充电装置，充电电压为DC500～DC900V. 车辆采用被动式受电器受电，在车辆进站停靠上下客时完成车辆充电，充电时间约10～30 s. 列车设计速度70 km/h，车辆结构设计寿命为30年.

1.1 车辆编组形式

车辆采用模块化装配方式，其包含4个基本功能模块，各模块之间采用单铰或双铰等铰接装置和贯通道连接成一列车，每列车设置4台转向架；列车端部设有折叠车钩，用于实现两列车的联挂编组；每列车的编组方式如图1[3].

图1 车辆编组示意图

车辆编组方式=(折叠车钩)Mc1(带司机的动车模块)+(单铰)T(拖车模块)+(双铰)M(动车模块)+Mc2(带司机的动车模块)=(折叠车钩)

1.2 储能电源

超级电容作为主要的储能电源，为车辆提供运行所需的能量，地面充电装置在车辆到站时给储能电源充电，车运行中由储能电源给车辆供电，同时制动状态时回收制动能量. 储能电源主要由箱体、模组、主控单元、检测与保护电路、散热系统等构成，其中模组的电压均衡单元、主控单元、检测与保护电路等构成电源管理系统.

图2 储能电源

每套储能电源的参数如表1所示.

1.3 转向架

车辆转向架采用西门子成熟平台Combino Plus的独立车轮转向架，车辆配置有4台转向架，包括3台动车转向架和1台拖车转向架；为了实现车辆100%低地板，转向架采用了独立车轮结构；驱动单元纵向安装在转向架外侧；转向架基础制动采用液压盘形制动；转向架安装有磁轨制动；转向架二系悬挂采用锥形橡胶堆弹簧[4].

表1 储能电源参数表

车辆的动车转向架车轮设计为牵引电机侧面横向耦合驱动的独立式车轮；车辆的拖车转向架车轮为轴桥式独立车轮，均采用二系悬挂.

1—轴桥; 2—构架; 3—横向、垂向止挡; 4—二系悬挂; 5—车体旋转止挡; 6—驱动装置; 7—线缆; 8—轮缘润滑; 9—铭牌; 10—磁轨制动; 11—排障器; 12—挡泥板; 13—弹簧储能制动单元; 14—牵引杆; 15—锥形附件; 16—管路图3 独立车轮式动力转向架

动车转向架主要由牵引电机、构架、轴桥装置、一系悬挂系统、二系悬挂系统、磁轨制动系统、驱动轴箱、盘形制动器、牵引装置等主要部件装配组成. 每个牵引电机和2个驱动齿轮箱刚性装配组成驱动装置，驱动装置纵向布置在构架侧梁外侧，驱动单元通过4点架悬在构架上，同时驱动侧面的2个车轮.

拖车转向架主要由一系悬挂系统、轴桥装置、构架、盘形制动器、二系悬挂系统、磁轨制动系统、牵引装置等主要部件装配组成.

转向架采用独立车轮结构，其主要由轴桥、弹性车轮、独立车轮轴承及附属部件装配组成. 独立车轮轴承采用一大一小配置的双列圆锥滚子轴承，轴承采用迷宫密封结构，能很好地防污、防油及防水.

车轮采用弹性车轮，它由金属部件和一些有预应力的橡胶件(夹杂在钢铁部件间)组成. 轮胎便于更换，轮座设计有利于轴承维护的注脂孔.

转向架采用两级悬挂系统. 一系悬挂由8个金属- 橡胶锥形弹簧组成(每个车轮上2个)，其合适的纵向和横向刚度以保证转向架良好的曲线通过能力，可以通过插入垫片调整分配到车轮上的载荷. 二系悬挂由4个沙漏状橡胶弹簧组成，其安装在构架悬伸梁两侧，能够最大限度地减少车体滚动，保证乘坐的舒适性，也可以通过插入垫片补偿车轮的磨耗量.

转向架的质量小，尤其是簧下质量，其中动力转向架质量约为4 810 kg，非动力转向架质量约为3 355 kg. 低的转向架质量，尤其是低的簧下质量能减轻轮轨作用力，转向架结构设计完整，安全，使用寿命长[5].

1.4 折叠车钩装置

有轨电车车辆车钩采用折叠式车钩，主要由安装吊挂系统、缓冲器组成、转动臂组成和连挂系统等装配组成，具有手动连挂和手动解锁功能. 转动臂的中间转动关节设置锁定功能，在车钩打开拉后，中间关节处于锁定位；当需要折叠时，通过手动拉动解锁拉绳解除锁定；车钩杆座采用带缓冲的球轴承.

图4 Albert折叠车钩

1.5 液压制动系统设置

本项目车辆的制动模式主要包括常用制动模式、紧急制动模式、自动紧急制动模式、安全制动模式、强制制动模式、停放制动模式和保持制动模式.

1)安全制动 属于最高级别的制动形式，通过司机室蘑菇按钮或安全回路(双线双断)中断施加， 安全制动一旦触发， 在车辆完全停止前不能被取消. 该模式将至少施加车辆上所有被动式液压弹簧制动.

2)停放制动 由动车转向架上的被动式弹簧制动施加，满足最大规定坡度上使满载列车静置的要求.

3)强制制动 该制动模式仅在监测到防折弯系统低压故障时自动触发. 由于此时防折弯系统失效 ，为了防止制动时在各车体模块间产生大的不均衡力 ，将使制动力在各模块间均衡分布. 该模式施加动车上的电制动和拖车上的液压制动.

车辆液压制动系统包括动车转向架配置被动式液压弹簧制动系统、拖车转向架配置主动式液压盘式制动系统；全部转向架均设置磁轨制动系统；每动车上配置两套紧凑型双向撒砂系统，分别负责对应侧轮对的撒砂[6].

1.6 空调系统

客室和司机室应分别设置制冷、采暖、通风及空调系统，空调机组均采用热泵空调机组技术. 在T和M模块上各布置一台额定制冷量为40 kW、额定制热量为18 kW的模块式热泵空调机组，空调机组送回风形式采用单侧送风、下侧送风、下侧回风的模式. 在车辆的MC1和MC2模块端部车顶各布置一个额定制冷量为4 kW、额定制热量为2 kW的独立空调，保障司机室的空气调节. 空调送风系统通过风道在车内顶板设置的静压送风道系统给车内客室送风.

空调送风系统设计了光等离子空气净化技术，对相车厢客室内的细菌、真菌等大量动态污染物有着全面净化的综合效果[7].

图5 制动系统示意图

图6 空调系统原理图

客室空调机组采用高压直流变频空调，热泵机组制热，客室空调机组主要技术参数：送风量≥8 000 m3/h；额定制冷量≥2×40 kW；额定制热量≥2×20 kW.

司机室空调系统主要技术参数：送风量≥700 m3/h(700、500、350三档可调)；额定制冷量≥4 kW；额定制热量≥3.8 kW(含800 W足部取暖器)

气流组织：沿车辆长度方向中部送风道送风；沿车辆长度方向两侧内装回风孔回风；通过牵引箱与超级电容箱排气口排风.

2 电气总体方案

2.1 电气系统方案

在T模块设置一台受电器，通过T模块车顶的高压箱的高压母排给3个并联的储能电源箱进行充电. 在高压箱对整车高压用电设备进行电源分配. 如图7为主电路原理图.

图7 主电路原理图

列车牵引系统设备主回路包括：受电器、避雷器、熔断器、储能电源、电流传感器、高速断路器等设备. 触网高压电通过受电器给储能电源供电，储能电源通过高速断路器给牵引系统主电路供电，通过熔断器给辅助系统供电. 避雷器能防止来自车辆外部的过电压(如雷击等)和车辆内部的操作过电压对车辆电气设备绝缘的破坏. 电流传感器能实时监测接触网输送给车辆的电流[8].

列车控制网络采用2套网络方案. 采用MVB总线对牵引系统、辅助系统和制动系统进行控制和管理. 采用CANopen网络对车载信号系统、牵引系统、车辆储能电源管理系统、乘客信息系统、空调机组系统、车门装置等进行监控和控制管理，并实现列车级的故障信息诊断和信息监视.

司机室占有、列车占有，司机室占有信号由司机钥匙控制，并通过列车占有继电器和列车线实现两端司机室的互锁.

2.2 列车控制及监控系统

列车控制及监控系统(TCMS)采用符合IEC61375标准的总线网络组成，它将整列车的各个系统的智能单元联结组成列车网络，完成车辆的通信信息管理、故障信息诊断、显示信息和记录事件、信息传送等主要功能. 列车控制及监控系统主要包括：车载硬件、操作系统、控制软件和便携式维护工具[9].

本项目采用MVB+CANopen两级网络结构，牵引、辅助、制动等设备将通过MVB通信；储能电源、车门、空调、PIS等系统通过CANopen网络通信.

车辆控制系统分为列车控制级、车辆模块控制级与子系统控制级3级(包括牵引控制、制动控制、液压制动、车门控制、乘客信息系统等)，3级控制级均具备冗余结构设计. 对列车和车辆级总线设计采用双通道冗余方案，其中一路通信线路发生故障时，车辆的控制系统可快速切换到另一路通信线路，保障车辆运行的正常通信[10].

3 车辆特点与优势

车辆选用西门子Combino转向架平台系统，并应用单铰铰接和双铰铰接模式，每个车辆模块配备一台转向架，车辆的轴质量小于10 t. 相比其他车辆，由于轴质量小，有利于降低对钢轨的冲击，减少磨损，有效的降低轨道道岔系统的维修维护成本. 车辆的车轮采用弹性车轮，可有效降噪、减震，提高乘客体验感和舒适度.

本项目全线采用超级电容储能+车站快速充电的无触网供电技术. 超级电容利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构，功率密度大. 双电层超级电容具备充电时间短、使用寿命长、操作简单方便、维护成本低等明显优势；本项目的车辆储能电源

单体采用最新一代的9 500 F与12 000 F的超级电容单体，单体容量国内领先水平.

车辆制动系统优先采用电制动，电制动反馈能量优先被储能装置吸收，制动能量吸收率不低于98%，节省电能，减少闸瓦磨耗.

4 结论与建议

超级电容储能电能约12.63 kWh，满足直线段约4 km的续航能力，但在路口较多、红灯停车等待时间长、启停次数较多的情况下续航里程较短；进一步研究提高单体电容的容量，提高超级电容的能量密度，解决启停次数较多时续航里程较短的风险.

通过平交路口信号优先子系统的信号优先控制，优化对交叉路口交通信号控制系统的设计，对有轨电车车辆进行倾斜性的信号分配，提高有轨电车在交叉口的通行效率，确保有轨电车的优先通行权. 通过有轨电车优先通过的控制，解决红灯停车等待、多次启停情况下续航里程较短的风险，确保有轨电车的高效、准点运营[11].

参考文献：

[1] 陆云, 刘达德. 现代有轨电车工程[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2015.

[2] 沈震新. 超级电容的技术现状和发展前景[J]. 读写算: (教师版), 2009(9): 109-110.

[3] 王灏, 田振清, 周楠森, 等. 现代有轨电车系统研究与实践[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.

[4] 卫超, 顾保南. 欧洲现代有轨电车的发展及其启示[J]. 城市轨道交通研究, 2008, 11(1): 11-14.

[5] 沈训梁, 陆云, 李俊, 等. 100%低地板有轨电车及其转向架发展现状[J]. 都市快轨交通, 2013, 26(5): 21-24.

[6] 吴其刚. 现代有轨电车系统发展的重难点及对策研究[J]. 铁道工程学报, 2013(12): 89-92.

[7] 魏晓东. 城市轨道交通自动化系统与技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2011.

[8] 何治新. 现代有轨电车牵引供电方式选择[J]. 城市轨道交通研究, 2013, 16(7): 105-108.

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[10] 訾海波, 过秀成, 杨洁. 现代有轨电车应用模式及地区适用性研究[J]. 城市轨道交通研究, 2009, 12(2): 46-49.

[11] 袁江波. 现代有轨电车路口信号优先控制的方案及比选[J]. 城市轨道交通研究, 2016, 19(3): 51-55.